Introducció i principi dels transductors
Introducció als transductors d’ultrasons:
Un transductor és un dispositiu electrònic que converteix l’energia d’una forma a una altra. El procés de conversió d’energia d’una forma a una altra s’anomena transducció.
Els transductors ultrasònics converteixen la sortida elèctrica d’una font d’alimentació en sortida de vibració. Aquesta conversió electromecànica es pot aconseguir mitjançant ceràmica piezoelèctrica (com es mostra a la figura següent) o materials magnetostrictius. Les ceràmiques piezoelèctriques són el nucli dels transductors.
Els requisits del sensor dependran de l’aplicació. Molts requisits entraran en conflicte entre ells i se'ls donarà prioritats diferents. Per tant, no hi ha cap conjunt de directrius que puguin cobrir tots els requisits i hi ha molts mètodes diferents per assolir el mateix objectiu.
Des d’una perspectiva analítica, el rendiment del transductor només es pot predir de manera general. Això es deu al fet que les característiques de la ceràmica piezoelèctrica sovint depenen molt de les condicions laborals, incloses la temperatura, la força del camp elèctric, la prestessa de compressió estàtica, la tensió dinàmica, el nombre de cicles de càrrega i el temps. Aquestes condicions de funcionament poden afectar -se, i l’impacte d’aquestes condicions sol ser no lineal. A més, moltes característiques de la ceràmica piezoelèctrica són ortotròpiques i poden variar entre la ceràmica piezoelèctrica i entre els lots de ceràmica piezoelèctrica. A més, les interaccions a diverses interfícies de components (com els fils) poden ser difícils de caracteritzar i el coeficient de transferència de calor convectiu utilitzat per al refrigeració de l’aire només es pot estimar aproximadament. Per tant, la majoria de processos de disseny comporten proves experimentals.
Principi de treball del transductor d’ultrasons:
Els transductors ultrasònics es poden dividir en transmissors, receptors i transceptors segons les seves funcions, tal com es mostra a la figura 1. Prenent el funcionament d’un transductor a 40 kHz com a exemple, la freqüència ressonant (FR) del transmissor està dissenyada per aplicar -se per aplicar -se a senyals elèctrics a freqüències properes a la freqüència de funcionament, com es mostra a la figura 2, per tal d’optimitzar l’eficiència de transmissió. Per contra, la freqüència anti -ressonant (FA) del receptor està dissenyada per estar a prop de la freqüència ultrasònica rebuda, tal com es mostra a la figura 3, per tal d’optimitzar l’eficiència de recepció. La freqüència de funcionament del transceptor està dissenyada entre la freqüència ressonant (FR) i la freqüència anti -ressonant (FA) del transceptor, tal com es mostra a la figura 4. Com més gran sigui la freqüència de funcionament del transductor, millor serà la resolució, però la més curta el rang de detecció.
Per tal que les ones ultrasòniques generades es transmetin eficaçment des de ceràmica piezoelèctrica a objectes o líquids (com en aire o aigua), la impedància acústica entre ceràmica piezoelèctrica i objectes o líquids s’ha de combinar mitjançant una capa de concordança acústica. La velocitat del so i les característiques d’impedància acústica de les substàncies comunes són les següents:
Prenent com a exemple els transductors d’aire ultrasònics, la impedància acústica de la ceràmica piezoelèctrica és d’uns 35 mrayl (106 kg/m2 ∙ s), mentre que la impedància acústica de l’aire és tan baixa com al voltant de 414 rayl (kg/m2 ∙ s). Per tant, la capa de concordança acústica es converteix en un component essencial dels transductors ultrasònics, situat entre la ceràmica piezoelèctrica i l’aire per adaptar -se a la seva impedància acústica i transmetre efectivament l’energia ultrasònica a l’aire.
El valor d’impedància acústica ideal per a la capa coincident d’un transductor d’aire ultrasònic és Rayl, aproximadament 0. 122 Mrayl, però és difícil trobar materials amb impedància acústica inferior a 1 mrayl i durabilitat. Actualment, el material de capa de concordança acústica utilitzada habitualment és un material compost fet de matriu de polímer i pols buida per aconseguir una impedància acústica més baixa i una fiabilitat raonable. Segons la sol·licitud, els transductors ultrasons es poden utilitzar en un mode de recepció de transmissió o en un mode de recepció de transmissió. Cal destacar que els transductors d’ecografia tenen de manera inherent característiques de son. Quan es dissenya transductors d’ultrasons per a la mesura de la proximitat, el sonar limita la distància de detecció mínima. Generalment, s’utilitza una capa d’amortiment per restaurar ràpidament el transductor d’ultrasons a un estat estàtic i reduir el son.
Estructura dels transductors ultrasònics:
El transductor piezoelèctric ultrasònic inclou una carcassa: una capa de so o una finestra de so, ceràmica piezoelèctrica, suport i cable sortint, incloent un receptor de matriu de címbal, que consisteix en cables sortints, 8-16 transductors címbals, anells metàl·lics i gasos de cautxú; El receptor de la matriu de címbal està situat per sobre del transductor 3 del disc Piezoelèctric; Utilitzant el transductor de disc ceràmic piezoelèctric com a transductor piezoelèctric bàsic ultrasònic, transmetent i receptor de senyals d’ultrasons; El receptor de la matriu de címbal està situat al transductor piezoelèctric del disc i serveix de receptor ultrasònic per rebre senyals d’eco doppler fora de la banda de freqüència del transductor del disc. Apte per a equips d’ultrasons.
Com triar un transductor:
1. El transductor ha de tenir una impedància d’entrada elevada i una baixa impedància de sortida per evitar efectes de càrrega.
2. El transductor ha de ser altament sensible al senyal desitjat i insensible als senyals no desitjats.
3. El transductor ha de poder operar en entorns corrosius.
4. El circuit del transductor ha de tenir una protecció de sobrecàrrega per suportar la sobrecàrrega.
